嵌入式施工升降機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

糜元根　程欣欣　季鵬南京工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院

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嵌入式施工升降機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

糜元根程欣欣季鵬
南京工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院

摘要：針對施工升降機(jī)在安全監(jiān)控方面存在的問題，設(shè)計了具有污損指紋識別功能的嵌入式安全監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)以STM32F103處理器作為主處理芯片，配以LCD顯示、輸出控制和FPS200指紋傳感器組成基本的硬件結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上簡要的介紹了該系統(tǒng)的處理流程，分析了利用模糊區(qū)域分割法對污損指紋進(jìn)行處理的方法，成功實(shí)現(xiàn)了施工升降機(jī)的安全監(jiān)控的功能。

關(guān)鍵字：嵌入式系統(tǒng) 安全監(jiān)控 污損指紋識別 STM32F103 指紋傳感器

在建筑的施工場所，由于現(xiàn)有的施工升降機(jī)中缺乏一種可以用于對其進(jìn)行安全監(jiān)控的設(shè)備，常常出現(xiàn)由于非授權(quán)人員操作施工升降機(jī)而造成人員傷亡的情況，近幾年武漢、常州等地區(qū)就發(fā)生過在施工過程中由于施工升降機(jī)突然發(fā)生故障而造成施工人員傷亡的事故，因此尋找一種合適的、可靠的能夠用于對施工升降機(jī)進(jìn)行安全監(jiān)控的方法已成為必要；而指紋由于具有終身不變性、唯一性、不可丟失性等特點(diǎn)，已成為目前最安全、最經(jīng)濟(jì)、最可靠的用于安全監(jiān)控的方法之一。綜合上述情況，本文設(shè)計了一套基于指紋識別的嵌入式施工升降機(jī)安全 監(jiān)控系統(tǒng)，同時考慮到施工場所是一個極易造成指紋污損的地方，容易出現(xiàn)指紋無法被識別的情況，因此本文分析了利用模糊區(qū)域分割法對污損指紋進(jìn)行處理的方法，以提高該系統(tǒng)的性能，通過把該方法應(yīng)用到指紋識別的過程中，本文完成了應(yīng)用于施工升降機(jī)中的具有污損指紋識別功能的嵌入式安全監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了對施工升降機(jī)的安全監(jiān)控。

1　系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1系統(tǒng)硬件構(gòu)成

系統(tǒng)硬件主要包括：指紋采集模塊、指紋數(shù)據(jù)存儲模塊（SRAM）、指紋程序存儲模塊（FLASH）、 串口模塊、指紋圖像算法處理模塊（STM32F103）、結(jié)果顯示模塊、按鍵模塊、電源模塊、輸出控制模 塊（施工升降機(jī)工作控制模塊）等。系統(tǒng)的工作原理為：系統(tǒng)上電以后進(jìn)行各部分 的初始化，接著通過功能按鍵選擇指紋識別這一功 能，然后通過指紋傳感器FPS200采集施工人員的指紋，指紋采集完成后FPS200通過并口和STM32F103進(jìn)行通信，將采集到的指紋數(shù)據(jù)送給STM32F103進(jìn)行處理，最后把處理的結(jié)果在工業(yè)串口屏上顯示出來。如果指紋匹配成功，則施工升降機(jī)開始工作，施工人員可以正常操作施工升降機(jī)；如果匹配失敗，施工升降機(jī)無法工作，不允許此人對施工升降機(jī)進(jìn)行操作，因此達(dá)到了防止非授權(quán)人員操作施工升降機(jī)的目的，避免了由于非授權(quán)人員操作施工升降機(jī)而造成的人員傷亡。

1.2系統(tǒng)硬件綜述及主要模塊介紹

本文采用基于ARM CorexM3內(nèi)核的STM32F10 3增強(qiáng)型系列芯片作為主控制器，該芯片具有256kB的 FLASH，48kB的RAM，并且片上集成12位A/D、D/A 、USB等資源，在嵌入式系統(tǒng)方面有著廣泛的應(yīng)用。 指紋數(shù)據(jù)存儲模塊（SRAM）是用于存儲采集到的指紋數(shù)據(jù)，由于主控芯片STM32F103內(nèi)部RAM 容量不能滿足存儲和處理圖像數(shù)據(jù)的要求，所以采用外擴(kuò) SRAM來存儲指紋數(shù)據(jù)；指紋程序存儲模塊（FLASH）用于存放設(shè)計的程序和指紋特征數(shù)據(jù)模板；串口模塊實(shí)現(xiàn)和主機(jī)的通信；按鍵模塊用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的選擇；結(jié)果顯示模塊用于對指紋識別結(jié)果的顯示；指紋采集模塊用于對指紋的采集，輸出控制模塊用于控制施工升降機(jī)的工作。

1.2.1指紋采集模塊

FPS200指紋傳感器是一種固態(tài)指紋傳感器，其內(nèi)含19個功能寄存器，分辨率為500DPI，內(nèi)置8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，并具有兩組采樣保持電路，在運(yùn)行時可以處于低于200mW的低功耗狀態(tài)，本文中的FPS200指紋傳感器采用VSPA80封裝，與STM32主處理器進(jìn)行并口方式通信，而且FPS200有自動指紋檢測功能，當(dāng)手指按在傳感器上并達(dá)到一定的時間，F(xiàn)PS200開始采集指紋并將采集到的指紋數(shù)據(jù)傳送給主控制器 STM32進(jìn)行處理。

1.2.2結(jié)果顯示及施工升降機(jī)電源控制模塊

結(jié)果顯示模塊采用的是工業(yè)串口顯示屏，其采用標(biāo)準(zhǔn)的232串口模式與STM32進(jìn)行與通信，分辨率為480*272DPI，支持24位的BMP格式圖片和任何大小和字體的中英文字庫，顏色顯示

16位（64K） 色，圖庫存儲容量不限，內(nèi)置RTC實(shí)時時鐘，帶有觸摸屏操作界面，而且包含按鈕、進(jìn)度條和文本編輯框等多種控件。施工升降機(jī)的工作控制模塊，也即安全監(jiān)控系 統(tǒng)的輸出控制模塊，采用繼電器來控制施工升降機(jī)電源的導(dǎo)通與截止，當(dāng)指紋匹配成功時，施工升降機(jī)電源導(dǎo)通并開始工作，反之當(dāng)指紋匹配失敗時就無法導(dǎo)通電源，施工升降機(jī)無法工作。

2　系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1施工升降機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)程序設(shè)計

施工升降機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)程序設(shè)計的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)STM32F103 與FPS200之間的并口通信協(xié)議，系統(tǒng)上電后，系統(tǒng)時鐘模塊、串口模塊、FPS200指紋采集 模塊、結(jié)果顯示模塊和按鍵模塊依次進(jìn)行初始化，初始化完成后通過功能按鍵對系統(tǒng)的工作模式進(jìn)行選擇（指紋存儲模式或是指紋識別模式），這時只要FPS200指紋采集器檢測到手指，則進(jìn)行指紋采集，如果選擇的是指紋存儲模式，F(xiàn)PS200采集到指紋后就保存到FLASH中作為指紋模板；如果選擇的是指紋識別模式，F(xiàn)PS200采集到指紋后就存儲到到SRAM中，然后進(jìn)行指紋的特征點(diǎn)提取、匹配等相關(guān)處理，最后把識別結(jié)果在工業(yè)串口屏上顯示出來，并根據(jù)識別結(jié)果來控制施工升降機(jī)的工作，如果匹配成功，則施工升降機(jī)開始工作，否則施工升降機(jī)無法被操作。

2.2指紋圖像模糊區(qū)域分割算法

在指紋處理過程中用到的模糊區(qū)域標(biāo)記法可以去除指紋污損的部分，因此當(dāng)系統(tǒng)檢測到采集的指紋中含有污損部分的時候，就會把污損的部分去除，這樣在后續(xù)的指紋匹配過程中，就不需要再對污損的指紋部分進(jìn)行匹配，這樣就較好的避免了識別錯誤和無法識別情況的發(fā)生，同時提高了指紋的識別速度。對于指紋圖像這樣特殊的處理對象，在局部鄰域上，脊谷交替出現(xiàn)，有明顯的方向性，并且這種方向在小范圍內(nèi)變化緩慢，區(qū)域的模糊性（不清晰）主要表現(xiàn)在局部鄰域不具有明顯的方向性，由此就可以將圖像的模糊區(qū)域分割出來。而在該算法中最主要的部分就是求出分割圖像模糊部分的閾值。首先計算圖像的模糊度量因子，本文采用的是 用原始圖像與8個9×9的掩碼算子M1，M2，...，M8作卷積 得到S1，S2，...，S8，Si在指紋圖像清晰區(qū)域表現(xiàn)出各向異 性，而在指紋模糊區(qū)域表現(xiàn)出各向同性。則Si的方 差在一定程度上表現(xiàn)了局部區(qū)域的模糊程度，因此 對原始圖像中每一點(diǎn)（x，y）處的模糊程度度量因子。

在得到了指紋圖像的每個像素點(diǎn)模糊程度的度量，并且確定指紋圖像的整體質(zhì)量復(fù)合要求之 后，再對該度量值進(jìn)行線性變換和作直方圖均衡，最后對該模糊程度的度量取一個門限。本文采用最大類間方差法求門限，記清晰區(qū)與模糊區(qū)的分割閾值為thres，清晰部分灰度均值為m1，像素數(shù)占整個圖像比例為w1；模糊部分灰度均值為m2，像素數(shù)占整個圖像比例為w2，最大類間方差為g，則其表達(dá)式為式（3）。當(dāng)thres從0取到255時，會存在一個值使g的值達(dá)到最大，本文就是選定使得g為最大值時thres的值作為模糊區(qū)域標(biāo)記的閾值，即模糊區(qū)域分割的門限為thres。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

模糊區(qū)域標(biāo)記方法的適應(yīng)范圍是有一定的限制的，只有當(dāng)指紋圖像的整體質(zhì)量E達(dá)到要求時，系統(tǒng)才對該指紋圖像進(jìn)行處理，否則系統(tǒng)拒絕對該指紋圖像進(jìn)行處理。首先在VC環(huán)境下進(jìn)行模擬仿真，得到的仿真結(jié)果。

通過對比，可以看出通過本文的方法分割出了指紋圖像的模糊區(qū)域，同時保留了指紋圖像中三角點(diǎn)和端點(diǎn)，算法效果較好，同時實(shí)驗(yàn)證明如果沒有對模糊區(qū)域進(jìn)行分割，而是直接對該污損指紋進(jìn)行處理，就會影響指紋識別系統(tǒng)的識別速度和識別率，有時甚至?xí)斐蔁o法識別的情況。通過采集50 個人的指紋進(jìn)行實(shí)驗(yàn)（其中含有污損指紋），發(fā)現(xiàn)沒有進(jìn)行模糊處理的指紋其識別率只有76%，而經(jīng)過模糊處理的指紋，其識別率高達(dá)92%，同時其拒絕率和錯判率有所下降。

最后把該算法移植到施工升降機(jī)的安全監(jiān)控系統(tǒng)中進(jìn)行驗(yàn)證，當(dāng)待識別的指紋的整體圖像質(zhì)量E符合要求，并且在指紋模板中可以找到與之相匹配的指紋，顯示屏顯示“成功”字樣，反之則顯示“失敗”，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該系統(tǒng)運(yùn)作良好，并且實(shí)現(xiàn)了對污損指紋的有效識別，達(dá)到了預(yù)期的效果。

4　結(jié)束語

本文以STM32F103處理器作為主處理芯片， FPS200指紋傳感器用于指紋的采集，電源控制部分用于控制施工升降機(jī)的工作，設(shè)計了基于污損指紋識別的嵌入式施工升降機(jī)的安全監(jiān)控系統(tǒng)，另外本文對污損指紋采用了模糊區(qū)域分割的算法，為后續(xù)的處理提供了良好的指紋圖像，從而提高了系統(tǒng)識別的準(zhǔn)確性，使該系統(tǒng)可以高效的完成指紋的識別，實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)的總體性能達(dá)到要求，可以用于對施工升降機(jī)進(jìn)行安全監(jiān)控。但是當(dāng)施工人員的指紋模糊區(qū)域較大時，即指紋的整體圖像質(zhì)量E較小時，該系統(tǒng)就無法較好的對指紋進(jìn)行識別，所以該施工升降機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)仍需要進(jìn)一步的改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)

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